Relativistlikud joad: plasmakiired, mustad augud ja gammakiirguspurste selgitus

Süvavaatlus relativistlikest joadest: plasmakiired, kesksete mustade aukude roll ja seos gammakiirguspurstega — mõistke universumi kõige võimsamaid kiiri.

Relativistlikud joad on väga võimsad plasmakiired, mille kiirus on valguse kiirusele lähedane. Neid kiirgavad mõnede aktiivsete galaktikate (eelkõige raadiogalaktikad ja kvasarid) keskmised mustad augud ning ka massiivsete tähtede ja neutrontähtede mustad augud. Nende pikkus võib ulatuda mitme tuhande või isegi sadade tuhandete valgusaastate kaugusele.

Kuidas relativistlikud joad tekivad?

Jõa tekkimine on seotud kiiresti akreeruva aine, tugevate magnetväljade ja pöörleva musta auguga. Peamised ettepanekud mehhanismide kohta on järgmised:

• Magnetohüdrodünaamiline (MHD) mehhanism ehk Blandford–Znajek: pöörleva musta augu ergastatud magnetväljad ekstraktivad pöörlemisenergiat ja kannavad seda välja elektromagnetilise Poynting-voona, mis võib lõpuks muutuda plasmakiireks.
• Akrektsioonikettast lähtuv magnetiline keeris ehk Blandford–Payne: akrektsioonikettalt lähtevad magnetväljad võivad materjali kallutada ja välja paisata, moodustades kitsendatud joa.
• Paarkasvamise ja rekonnnaksioonide roll: akuumulatsioon, magnetiline rekonnaksioon ja lokaalsed šokid akreerimisketas–jet süsteemis aitavad päevitada ja kiireid osakesi toota.

Millest joad koosnevad?

Jeti koostis võib olla erinev sõltuvalt allikast ja kaugusest jetist:

• Plasmaga täidetud joad: elektronid ja prootonid (e–p) või elektron-positron paarid (e–e+). Paaridest koosnevad joad võivad olla eriti kerged ja väga suure Lorentzi faktoriga.
• Poynting‑voogudominantne jet: alguses võib energia olla pigem elektromagnetiline kui kineetiline; edaspidi see energia üle kandub osakestele ja kiirendab neid.

Mõõtmed, kiirused ja relatiivsed efektid

Relativistlikud joad võivad erinevates süsteemides väga erineda mõõtmete ja energiate poolest:

• Suured aktiivsed galaktikad ja kvasarid: joad võivad ulatuda tuhandete kuni sadade tuhandete valgusaastate kaugusele ja kanda ära tohutult energiat.
• Neutrontähtede ja tähtede mustade aukude joad: palju lühemad, kuid võivad olla väga intensiivsed ja kiiresti muutuva struktuuriga.
• Microquasarid ehk kaksiktähtedest pärit joad: sarnased mehhanismid väiksemal skaalal; neid näeme Linnutee piirkonnas.

Relativistlik käitumine avaldub selgelt läbi erilise relatiivsusteooria efektide: Lorentzi faktor (Γ) määrab, kui lähedal osakesed on valguse kiirusele. Paljud gamma‑kiirguspurste ja mõnede AGN-jetide puhul hindatakse Γ väärtuseks ~100 või suurem (see tähendab kiiruseid üle 0,99995c). Sellised suurte Γ-de joad näitavad tugevat Doppler‑tõugu ja näivad vaatlejale palju eredamad ning muutuvad kiiremini.

Seos gammakiirguspurstidega (GRB)

Astrofüüsikute üldine hüpotees on, et relativistlike joatorude teke on võti gammakiirguspursete tekkimise seletamiseks. Peamised seosed:

• Pikkad GRB-d: seostatakse massiivsete tähtede kokkukukkumisega (collapsar-mudel), kus tekib must auk ja sellest väljuv väga kitsas, äärmiselt relativistlik joad, mis lõikab läbi tähe kesta ja toodab heledat gammakiirguse impulsit.
• Lühikesed GRB-d: seostatakse neutronitähtede või neutronitäht–musta auguga kokkupõrgetega; ka siin moodustub ajutine akreerimisketas ja sealt väljuv relativistlik jet.
• Lorentzi faktori nõue: kõrgete energiatega fotonite pääsemiseks ja paariloome vältimiseks peab jeti Γ tihti ületama ~100; see selgitab, miks GRBdest tulev kiirgus on nii kõrge energiaga ja väga lühiajaline.

Observatsioonilised tunnused

Relativistlikke joad tuvastame mitmel moel:

• Raadio‑ ja röntgensädemed: juhtivate osakeste kiirgus (sünchrotron ja inverse-Compton) loob laia spektriga emissiooni — raadiost kuni röntgeni ja gammani.
• Superluminaarne näivliikumine: VLBI‑vaatlustes näevad mõned joa osised liikuvat näivalt kiiremini kui valgus — see on relativistlik näivefekt, mis tekib, kui jet liigub peaaegu valguse kiirusel peaaegu otse vaatleja suunas.
• Pola­risaatsioon ja spektriline variatsioon: pola­reisumine näitab tugevaid korraldatud magnetvälju; kiire valguse muutlikkus viitab väikestele emissiooni piirkondadele ja kõrgetele Lorentzi faktoritele.
• Jetide lobid ja kuumad kohad: kauges plahvatuses, kus jet interakteerub ümbritseva gaasiga, tekivad suured raadio‑lobid ja „hot spots”, mis näitavad pikaajalist energiasisendit.

Jetide stabiilsus ja kineetika

Joad ei ole alati ühtlaselt suunatud ja stabiilsed — neis esinevad kõikumised ja turbulents, mis tekivad magnetiliste instabiilsuste ja keskkonnamõjude tõttu. Kiirguse fluktuatsioonid võivad tuleneda sisemistest šokkidest (internal shocks) või välispinnal tekkinud šokkidest (external shocks), mis on eriti olulised GRB-de valguskursside selgitamisel.

Kokkuvõte

Relativistlikud joad on kosmilised kiirtestruktuurid, mis kannavad suurt energiat ja liiguvad peaaegu valguse kiirusel. Neid käivitavad pöörlevad mustad augud ja nende akrektsiooniketad koos tugevate magnetväljadega. Joad võivad olla elektromagnetiliselt domineerivad või osakestepõhised, nende Lorentzi faktorid võivad ulatuda ~100 või rohkem ning neil on oluline roll kõrgeenergiaastronoomias, kaasa arvatud gammakiirguspurste tekkes ja aktiivsete galaktikate emissioonis.

Küsimused ja vastused

K: Mis on relativistlikud joad?

K: Kust pärinevad relativistlikud joad?

K: Milline on relativistlike joatorude pikkus?

K: Mis on oluline relativistlike joatorude kiiruse puhul?

K: Milline on relativistlike joatorude koostis?

K: Milline on astrofüüsikute hüpotees relativistlike joatorude tekkimise kohta?

K: Kui kiiresti võivad relativistlikud joad liikuda?

Otsing